國立交通大學
理學院網路學習學程
碩 士 論 文
模擬建築情境中
思考風格對設計過程與作品之影響
Effects of Thinking Styles on Design Process and Products in
Construction Simulation
研 究 生：張禹業
指導教授：孫春在 林珊如 教授
模擬建築情境中思考風格對設計過程與作品之影響
Effects of Thinking Styles on Design Process and Products in Construction Simulation
研 究 生：張禹業 Student：Yu-Yeh Chang
指導教授：孫春在 林珊如 Advisor：Chuen-Tsai Sun & Sunny S. J. Lin 國 立 交 通 大 學
理 學 院 網 路 學 習 學 程 碩 士 論 文
A Thesis
Submitted to Degree Program of E-Learning College of Science
National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master
in
Degree Program of E-Learning
June 2009
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
模擬真實建築情境中思考風格對作品產出之影響
學生：張禹業 指導教授：孫春在教授 林珊如教授 國立交通大學理學院碩士在職專班網路學習組中文摘要
電腦模擬將真實的世界的現象於電腦上重新展現。在電腦模擬平台上，使用者 可自由操作各種控制因素並觀察模擬結果，並可不斷重複模擬過程，經由模擬環 境所給予的回饋進行修正及學習等活動。本研究將探討模擬建築情境的平台上設 計桁架橋樑的歷程中，設計者的思考風格與設計策略行為偏好、模擬平台中的設 計工具運用偏好及設計成品成效之間的相關性。 本研究以便利取樣的方式，針對新竹縣某高中一年級學生抽取 121 個樣本進行 研究，並以思考風格量表測定其思考風格傾向，並以 WPBD2007 橋樑設計實作的 實驗環境施測，觀察其側錄檔並量化其設計策略行為及使用設計工具偏好。經過 觀察及篩選，有效樣本共計 101 個，並以此有效樣本進行後續的數據分析。 研究結果發現：(1)司法型思考風格與「大幅改變結構及變更設計目標」設計 行為出現次數達顯著正相關，與「Top-Down 設計行為」出現次數雖未達顯著相關， 但與其他思考風格相關值相較之下仍有一定程度的相關性。(2)局部思考風格平 均得分與「右側組件列表」使用次數呈現顯著負相關。(3)「Top-Down 設計行為」 次數與「使用中央圖型設計界面搭配參考右側組件列表」次數有顯著負相關， 「Bottom-Up 設計行為」次數與「使用中央圖型設計界面搭配參考右側組件列表」 次數有顯著正相關，「大幅改變結構與設計目標」次數與「使用中央圖型設計界 面」次數有顯著正相關，與「使用中央圖型設計界面搭配參考右側組件列表」次 數有顯著負相關。(4)「大幅改變結構與設計目標」次數則與設計成品總花費呈 現顯著正相關。「使用右側組件列表」次數與設計成品總花費呈現顯著正相關。 關鍵詞：思考風格、電腦模擬、建構、設計策略、Top-Down、Bottom-UpThe Effects of Thinking Styles on Process and Products of Designs in Construction Simulation
Student：Yu-Yeh Chang Advisor：Dr. Chuen-Tsai Sun & Dr. Sunny S. J. Lin The Degree Program of E-Learning
National Chiao Tung University
ABSTRACT
Computer simulation shows real world phenomenon in computers. In the computer simulation platform, the users can freely control the operation of various factors and observed simulation results, repeat the simulation process, amend and learn via the feedback from simulation environment. This study will explore the correlation between the thinking style preferences, design strategy, design tools preferences and design products cost of designers in the process of designing a truss bridge in construction simulation.
In this study, we collect 121 samples form high school students in Hsinchu County for research by convenience sampling, and use thinking style scale measured the tendency of their thinking style. We choose WPBD2007 ( a freeware of computer simulation software for truss bridge design ) be our experimental environment, observe the video recorded file and quantify the behavior of design strategy and preferences to use design tools. After observation and screening, we pick up a total of 101 valid samples for follow-up data analysis.
The results showed that: (1) The "judicial" thinking style is associated with "substantially change the structure and change the design goals" behavior number of design strategy. The judicial thinking style and "Top-Down" behavior number of design strategy did not appear significant association, but still be a certain degree of correlation rather then other thinking style of function. (2) The "local" thinking style and the "using member list tool" behavior number have significant negative correlation. (3) "Top-Down" behavior number of design strategy and "using the graphical design interface and member list tool" number have significant negative correlation, "Bottom-Up" behavior number of design strategy and "using the graphical interface design and member list tool" number have significant positive correlation, "substantially change the structure and change the design goals" number and " using the graphical design interface and member list tool" tnumber have significant positive correlation, "substantially change the structure and change the design goals" number and "using the graphical design interface and member list tool" number have significant negative correlation. (4) "Substantially change the structure and change the design goals" number and " the number of total product cost” and have a significant positive correlation. "Using the member list tool" number and "the number of total product cost" have a significant positive correlation.
謝誌
少年時代，數位遊戲世界曾是我的重要娛樂。隨著離開學校，步入社會，忙碌 的生活與人生規畫的進程讓我漸漸淡忘了那段時光。為了進修來到了交大，命運 卻是那樣的有趣──我進入了一個玩遊戲也可以作研究的實驗室。孫春在老師一 年多來趣味橫生、精闢的闡述與指導，讓我在做研究的同時，有更多的啟發與靈 感。 作研究的期間，同時要兼顧平日的工作，當研究遇到挫折與感到徬徨時，總是 讓人心焦。感謝孫老師適時的提點與和藹的鼓勵，是我堅持下去的動力源頭；林 珊如老師精闢的觀點，讓我能從新的角度重新審視問題。而佩嵐學姊細心的提醒 與不厭其煩的解說，讓我在論文的寫作上日趨完善。也感謝實驗室的同學相互的 鼓舞與砥礪，你們的一路陪伴，是我從事研究的期間最大的幸福。更感謝所有在 研究期間曾經幫助過我、挺我的辦公室同仁們，有你們的支持，我才能專心於課 業，終於開花結果。 在準備撰寫謝誌的此時，天空剛下過傾盆大雨，半個月來的酷暑暫告抒解。望 著沁涼的夜色，這一年多來的點點滴滴逐一浮上心頭。完成研究的同時，除了喜 悅的心情，許多的不捨滿滿的充滿在心懷。打開電腦，將心情一字一字敲入鍵盤， 蟲鳴蛙叫，不絕於耳。 2009 年於新竹 雨後涼爽的夜目錄
中文摘要 ... i ABSTRACT ... ii 謝誌 ... iii 目錄 ... iv 表目錄 ... vii 圖目錄 ... viii 一、緒論 ... 1 1.1 研究背景 ... 1 1.2 研究動機及重要性 ... 3 1.3 研究目的 ... 5 1.4 研究問題 ... 5 1.5 名詞釋義 ... 5 1.5.1 思考風格 ... 6 1.5.2 模擬建築情境 ... 6 1.5.3 設計策略行為偏好 ... 7 1.5.4 使用設計工具偏好 ... 7 1.5.5 設計作品成效 ... 8 二、文獻探討 ... 9 2.1 電腦模擬(Computer Simulation) ... 92.2 透過設計進行學習(Learning through Design) ... 10
2.3 思考風格(Thinking Styles)... 11
3.1 研究架構 ... 16 3.2 研究對象 ... 17 3.3 研究工具 ... 17 3.3.1 西點橋樑設計者 2007 介紹 ... 17 3.3.2 受測者的設計流程、設計行為及觀察標準 ... 26 3.3.3 螢幕錄影專家軟體 ... 34 3.3.4 高中生思考風格問卷 ... 35 3.4 研究設計 ... 35 3.4.1 實驗流程 ... 35 3.4.2 實驗情境設計 ... 36 3.5 資料處理與分析 ... 38 3.5.1 觀察值的一致性 ... 38 3.5.2 數據分析方式 ... 40 四、資料分析 ... 42 4.1 受試者思考風格量表得分、設計策略行為及使用設計工具之描述性統計 分析 ... 42 4.2 在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者思的考風 格與其設計行為偏好的相關性為何？ ... 49 4.3 在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者的思考風 格與其設計過程中運用設計工具偏好的相關性為何？ ... 51 4.4 在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計策略行為偏好與 設計工具偏好相關性為何? ... 53 4.5 在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者的設計策 略行為偏好與工具運用偏好與設計成效的相關性為何? ... 55 五、結論與建議 ... 58
5.1 結論 ... 58 5.2 建議 ... 61 5.2.1 對教學的建議 ... 61 5.2.2 對未來研究的建議 ... 62 參考文獻 ... 63 附錄 A 高中生在模擬橋樑設計平台上的作品 ... 65 附錄 B 思考風格量表使用同意書 ... 69 附錄 C 高中生思考風格量表(施測時以學習經驗問卷稱之) ... 70 附錄 D 設計行為觀察紀錄 ... 73
表目錄
表 2-3-1 思考風格類別及細項表 ... 12 表 3-3-1 設計行為畫記代號表 ... 31 表 3-3-2 設計工具運用偏好 ... 32 表 3-5-1 三位專家的基本資料表 ... 39 表 3-5-2 三位專家 Top-Down 量化數據肯德爾和諧係數分析 ... 39 表 3-5-3 三位專家 Bottom-Up 量化數據肯德爾和諧係數分析 ... 40 表 3-5-4 三位專家「大幅改變結構及設計目標」量化數據肯德爾和諧係數分析 ... 40 表 4-1-1 層次(整體、局面) 思考風格得分之描述性統計 ... 42 表 4-1-2 功能(立法、行政、司法)思考風格得分之描述性統計 ... 43 表 4-1-3 設計策略行為出現次數之描述性統計 ... 45 表 4-1-4 使用設計工具次數之描述性統計 ... 46 表 4-1-5 橋樑設計總花費之描述性統計 ... 48 表 4-2-1 功能型態思考風格與設計行為偏好之 Pearson 相關係數分析表 .... 49 表 4-2-2 層次型態思考風格與設計行為偏好之 Pearson 相關係數分析表 .... 50 表 4-3-1 功能型態思考風格與設計工具偏好之 Pearson 相關係數分析表 .... 51 表 4-3-2 層次型態思考風格與設計工具偏好之 Pearson 相關係數分析表 .... 52 表 4-4-1 設計行為偏好與設計工具偏好之 Pearson 相關係數分析表 ... 54 表 4-5-1 設計工具偏好與設計成品總花費之 Pearson 相關係數分析表 ... 56 表 4-5-2 設計行為偏好與設計成品總花費之 Pearson 相關係數分析表 ... 56圖目錄
圖 1-1-1 模擬真實感與學習轉換間的架構圖 ... 2 圖 2-4-1 Top-Down 及 Bottom-Up 的設計策略示意圖 ... 15 圖 3-1-1 本研究之研究架構圖 ... 16 圖 3-3-1 西點橋樑設計者 2007(WPBD2007)設計界面外觀 ... 18 圖 3-3-2 設計工具列 ... 18 圖 3-3-3 繪製待測之橋樑設計雛型 ... 19 圖 3-3-4 組件屬性工具列 ... 20 圖 3-3-5 組件屬性報表 ... 20 圖 3-3-6 模擬測試工具 ... 20 圖 3-3-7 負載測試成功的畫面 ... 21 圖 3-3-8 負載測試失敗的畫面 ... 21 圖 3-3-9 模擬結果提示畫面 ... 22 圖 3-3-10 設計紀錄工具列 ... 22 圖 3-3-11 設計紀錄視窗畫面 ... 23 圖 3-3-12 狀態工具列 ... 23 圖 3-3-13 花費計算報表 ... 24 圖 3-3-14 負載測試報表 ... 24 圖 3-3-15 組件列表畫面 ... 25 圖 3-3-16 顯示工具列 ... 26 圖 3-3-17 檔案處理工具列 ... 26 圖 3-3-18 第一次模擬及回饋資訊 ... 27圖 3-3-20 設計者的運用西點橋樑設計者 2007 進行橋樑設計的流程圖 ... 29 圖 3-3-21 橋樑設計活動中 Top-Down 與 Bottom-Up 設計策略行為預想架構圖 30 圖 3-3-22 在中央圖形設計界面中，Top-Down 與 Bottom-Up 的範例 ... 33 圖 3-3-23 在右方組件列表中，Top-Down 與 Bottom-Up 的範例 ... 34 圖 3-4-1 本研究實驗流程圖 ... 36 圖 3-4-2 施測使用之電腦教室布置實景 ... 37 圖 3-4-3 施測時受測者的座位安排(以隔板作間隔) ... 37 圖 3-4-4 實際施測之情形 ... 38 圖 4-1-1 整體思考風格傾向得分之次數分配圖 ... 42 圖 4-1-2 局部思考風格傾向得分之次數分配圖 ... 43 圖 4-1-3 立法思考風格傾向得分之次數分配圖 ... 43 圖 4-1-4 行政思考風格傾向得分之次數分配圖 ... 44 圖 4-1-5 司法思考風格傾向得分之次數分配圖 ... 44 圖 4-1-6 Top-Down 設計行為出現次數之次數分配圖 ... 45 圖 4-1-7 Bottom-Up 設計行為出現次數之次數分配圖 ... 46 圖 4-1-8 「大幅改變結構及設計目標」設計行為出現次數之次數分配圖 .... 46 圖 4-1-9 「中央圖形介面」設計工具使用次數之次數分配圖 ... 47 圖 4-1-10 「右方組件列表」設計工具使用次數之次數分配圖 ... 47 圖 4-1-11 「使用中央圖形介面搭配右方組件列表」使用次數之次數分配圖 . 47 圖 4-1-12 橋樑設計總花費之次數分配圖 ... 48
一、緒論
1.1 研究背景
隨著電子產業製程上的日新月異，電腦運算能力隨時間呈現倍數成長，電腦運 算能力一日千里，快速、大量處理資料已非夢事，人類對電腦的依賴亦有增無減。 電腦模擬(Computer Simulation)廣泛使用於模擬自然現象、重複性的過程、處 理程序、各種情境等方面應用(Alessi & Trollip ,2001)，故電腦模擬的技術經 常被使用於產品設計的過程中，以預測各種產品設計樣本於真實環境中的性能表 現及效能，相對減少實際製作樣本測試成本。相對於適合專業工程師所使用的複 雜版本，電腦模擬技術亦可簡化其操作門檻及輸出方式並以符合一般大眾的認知 能力的表現方式呈現其模擬結果，成為一種具近似傳統實驗功能的輔助學習工具 (黃福坤, 2003)，讓一般學習者亦可完成現實中無法完成的實驗，並享受接近專 業人士的設計成就與樂趣。以往需要運算速度較快的高水平硬體方能有效率的執 行其模擬功能，然而近幾年由於個人電腦的運算速度已大幅進步，再加上網路世 界的蓬勃發展，一般電腦使用者甚至可以由網路下載電腦模擬軟體相關的免費或 付費使用資源，並在個人單機上執行，操作該軟體所模擬之系統，並觀察其執行 結果。 電腦模擬的模擬功能可以預期實際結果，又可在改變控制變因或重新設計架構 後不斷重複模擬實驗結果，並提供模擬過程之影像、數據等，方便操作者觀察其 中的現象，並不斷累積相關經驗。這意味著電腦模擬提供了一個操作者可以不斷 試誤及進行知識建構的平台，並藉由獲取的經驗，不斷重覆思考其操作方針及策 略，並將結果逐步推向操作者所希望之方向。以設計產品為例，電腦模擬軟體提
供容易上手的介面，並針對相關因素(如材料、被設計物的結構等)建立模組以預 測其變化，設計者在作品模擬產出的過程中，可觀察其是否達成預設的產品目 標，並不斷的進行修正、測試及結果(成品)儲存。學者 Alessi(2000)提出模擬真 實感與學習轉換間的架構圖如下圖： 圖 1-1-1 模擬真實感與學習轉換間的架構圖 儘管電腦模擬可運用做為「引起動機」、「學習轉換」及「模擬實作」的工具， 國內教育界雖鼓吹「資訊融入教學」，但目前運用電腦輔助教學的形式大部分仍 集中多媒體演示、題庫管理等加強學生認知成效的層面，即便是最需要「做中學」 的科學教育亦少有發揮。相對於國內，國外建構主義(Constructionism)學者相 信，學生在設計製作外在的、可分享的實際成品，如電腦程式、機械、遊戲等的 過程中，學生成為自身知識的建構者，即「經由製作的過程學習」（Papert & Harel,1991），或「透過設計進行學習」(Harel,1991)。科學教育中，實驗學習 原本就是極為重要的一環，但一般學校教室、實驗室中受限於器材與場地，並考 量成本及安全性，許多科學現象並無法於實驗室中重現。電腦模擬提供了一個虛 擬的實驗空間，這裡不會有成本消耗過多的問題，也不會有實驗失敗造成危險的 困擾，使用者只需要專心於設計的過程與觀察模擬的結果，並在過程中逐步建構 感受到真實感 真實感 初始學習 引起動機 學習轉換
自身的知識。 然而研究者在自身教學經驗中發現，在學生的知識背景相近，教學引導方式相 同的情況下，學生在運用電腦模擬軟體設計作品時，其工具運用的偏好、設計策 略、設計成效、設計法則的建立、構想推進演化的過程甚至經由設計過程所獲得 的收穫皆有不小的差異。仔細觀察他們的設計行為型態及獲取經驗的知識建構行 為，似因設計者間的某些個體差異，而造成其設計流程及成效的差異。學者 Sternberg 曾指出，根據相關研究發現，學生在校成績的優劣差異，僅有 20%可 以從智能測驗的得分差異看出其相關性，而就業表現的差異則僅有 10%能以測驗 得分為依據(Sternburg, 1997)。針對智力測驗等制式能力測量在詮釋相關性上 的不足，Sterberg 提出思考風格(Thinking Styles)理論，以能力以外的觀點， 解釋個體表現差異的原因。由此推之，學生透過設計進行學習的歷程中，其思考 風格與設計歷程及學習成果是否亦有其相關性？學生們在條件近乎相同的情況 下，在使用模擬軟體設計的過程中亦產生各種不同面向的差異性，思考風格是否 為影響的因素？
1.2 研究動機及重要性
國內已有許多學者針對思考風格對於學習策略、創造力、問題解決歷程的部 分的影響與關聯性做過研究，且實驗平台多以遊戲為主，針對設計歷程及學習成 果則著墨較少。本研究將著眼於在不同於遊戲風格的電腦模擬實際橋樑設計的平 台上，嘗試歸納出各種不同思考風格對於設計歷程、設計策略及產出作品效能之 間的關聯性。學習者在電腦模擬環境中可控制許多專有的特性，如最初的選擇、完成順序、 達成目標的方向、模擬動作的終止、模擬動作中重新開始、終止模擬後的重新開 始、資料存檔、列印、改變難度及改變真實度，而模擬系統給予使用者的反應與 回饋又有自然與人工、即刻與延遲的差別 (Alessi & Trollip,2001)，不同的模 擬平台因應其設計目的及使用者需求，能操作的特色及系統操作中的反應與回饋 特色亦有所不同。在電腦模擬實際橋樑設計的平台上，這些特色及回饋對於不同 思考風格或設計策略的使用者會產生怎樣的相關性，也是本研究試圖探討的方 向。 在使用電腦虛擬實境設計軟體的過程中，學習者針對某一產品需求進行各種嘗 試、設計、歸納實驗結果、建構知識的過程，類似於現實世界中解決問題的歷程。 既要達成產品預定的成效，又必須考慮各種真實環境的限制，並試圖找出解決途 徑，也許是引用前例，也許是立意創新，並在過程中逐步汲取經驗，建構屬於自 己的設計法則。在這樣多的因素交錯之下，不同「思考風格」的學習者在設計產 品的產出成效中，是否有其相關性？不同思考風格在運用資訊，以及設計策略、 建構的流程，是否有不同的形態呈現？ 總結以上，本研究嚐試從電腦模擬橋樑設計軟體的使用中探討不同思考風格的 使用者(學習者)在設計策略、設計歷程、工具運用與解決問題表現以及學習成果 上的關聯性，以提供運用類似工具營造學習環境的教育訓練者相關的資訊，以期 對於各種不同思考風格的學習者產生最佳的學習效果。
1.3 研究目的
本研究主要是探討相同產品設計目標的前提下，不同思考風格、先備知識較為 缺乏且水準接近的設計學習者，在運用電腦模擬橋樑設計軟體的設計界面時，其 思考風格與使用者設計策略的型態及設計工具偏好的相關性。接著欲探討在設計 的過程中，觀察不同思考風格的與設計者設計工具運用偏好與思考風格的相關 性。最後再探討設計成效的差異，與設計學習者設計策略與設計工具運用間的相 關性。1.4 研究問題
依照本研究之研究目的，訂定研究問題如下： (1)在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者的思考風格與 其設計行為之相關性？ (2)在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者的思考風格與 其設計過程中工具運用的偏好之相關性？ (3)在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者的設計行為與 工具運用偏好之間的相關性? (4)在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者的設計行為與 工具運用偏好與設計成效之相關性?1.5 名詞釋義
然而因應研究之需要，由研究者自行提出名詞以統和、代稱的情況甚多。茲將本 研究中出現之重要名詞釋義如下，以免混淆： 1.5.1 思考風格 本研究中所提之「思考風格」，是由 Sternberg 於 1997 年所提出的理論。根據 該理論，思考風格可分為五大類型，並可進一步細分為 13 種思考風格。在同一 類型中，思考風格可能會有單高、雙高甚至多高等各種情形，例如高度立法(喜 好創意、照自己的意思來)思考風格的人也可能同時具有高度司法(喜好解析，分 析事務)思考風格取向。或是面對不同的事物時，呈現出不同的思考風格，如在 擅長的領域是高度立法思考風格（照自己想的來做），在不擅長的領域卻呈現高 度行政風格（希望有個範本可以照著做）。本研究探討的思考風格為「功能」類 中的行政、立法、司法三種思考風格、以及「層次」類型類型中的整體、局部兩 種思考風格。而本研究實驗中所提之「受測者的思考風格傾向」，以受測者在思 考風格問卷中填答隸屬於該種思考風格問題之得分平均值測定之，分數越高代表 該種思考風格的傾向越明顯，越低則代表越不明顯。 1.5.2 模擬建築情境 本研究中所提之「模擬建築情境」，係指具備與真實世界十分相近之建築物理 模組的模擬設計軟體，由西點軍校所開發的「西點橋樑設計者 2007」(West Point Bridge Designer 2007)。該軟體配合中學生的程度，提供簡潔、易上手的設計 界面，並以動畫、顏色標示、圖表的方式回饋給使用者設計階段中的設計半成品 的模擬情形，作為設計者改進橋樑結構的參考。本軟體的設計理念為：鼓勵使用 者設計出「最少的成本支出」但仍然能承受規定之重量負載考驗的桁架橋樑。
1.5.3 設計策略行為偏好
本研究中所提之「設計策略行為偏好」，係指受測者在使用「西點橋樑設計者 2007」軟體進行橋樑設計的過程，在定量的設計步驟次數中，某種設計策略行為 所出現的次數或比例。本研究中定義三種設計策略行為，分別為 Top-Down(由上 而下)、Bottom-Up(由下而上)以及「大幅改變結構及設計目標」三種設計策略行 為。Top-Down 及 Bottom-Up 兩種設計策略由 Kafai 於 1994 年觀察國小學童設計
數位遊戲的研究中所歸納，「大幅改變結構及設計目標」相當於重置設計流程， 無法歸類於 Top-Down 及 Bottom-Up 兩種設計策略，故由研究者將此類行為獨立 為第三種設計策略行為。 1.5.4 使用設計工具偏好 本研究中所提之「使用設計工具偏好」，係指係指受測者在使用「西點橋樑設 計者 2007」軟體進行橋樑設計的過程，在定量的設計步驟次數中，某種設計工具 使用的次數或比例。該軟體最常備受測者使用的設計工具共兩個，分別為位於軟 體畫面正中央的「圖形介面」以及在軟體畫面右側可開啟或關閉的「組件列表」 (詳細說明如 3.3.1 節之內容)，使用方式又可區分為「僅使用中央圖形介面」、「僅 使用組件列表」以及「使用中央圖形介面但又同時觀看組件列表」三種使用設計 工具的行為。綜合前述，受測者在使用「西點橋樑設計者 2007」設計橋樑的過程 中，每一次的設計步驟會搭配一種「設計策略行為」及一種「使用設計工具行為」。
1.5.5 設計作品成效 本研究中所提之「設計作品成效」，係指受測者於「西點橋樑設計者 2007」中 設計之桁架橋樑，由軟體的花費成本計算功能所計算出的數據。依照該軟體原先 的設計理念，設計者設計出的作品只要能通過該軟體的模擬負載考驗，其花費越 低則成果越好。本研究為驅策受測者朝此目標邁進，實驗過程以競賽方式進行， 並剔除不合適之樣本，以利後續分析。
二、文獻探討
2.1 電腦模擬(Computer Simulation)
電腦模擬(Computer Simulation，又稱為電腦模組，Computer Model)，近年 來電腦模擬在教育法上的應用越來越廣泛多元，學者 Alessi 及 Trollip(2001) 指出，模擬類似「在真實世中界進行學習活動」，具教育性的模擬可定義為某些 現象或活動的模型，使用者可透過與模擬模型的交流互動來學習。然而具教育性 的電腦模擬與專業使用的電腦模擬有何不同？一般而言，越精密的結果呈現，其 模擬的程度越佳，這在工程與研究上是事實，然而在教育上使用較簡易的模型， 學習者可以解決問題、學習過程，以了解各種現象的特徵以及如何掌控他們，或 學習在不同的情況下採取對應的行動；並幫助學習者對於現象或過程建立自我概 念，及提供他們探索、練習及測試的機會(Alessi & Trollip,2001)。因此，當 學習者使用電腦模擬軟體做為建築設計工具進行設計活動時，將達成以下三種成 效(Cottrell,2002)： 1.模擬工程學及設計上的趣味性。 2.提供使用者在真實的設計規範及限制下完成具真實性的建築設計。 3.提供參與者使用電腦做為問題解決工具的機會。 電腦模擬的形態十分多元，大如氣象預報所使用的大氣運動模擬系統、模擬核 分裂反應的核爆模擬系統，小如電腦遊戲軟體如模擬城市、模擬人生、跑車浪漫 旅-真實駕駛模擬器等，都屬於電腦模擬的範疇。電腦模擬的形態可分為四大類 型(Alessi & Trollip,2001)：
(1)自然現象模擬(Physical Simulation)：
模擬某種自然物體或現象並重現於螢幕上，提供學習者學習的機會。如模擬城市 (Sim City)、模擬地球(Sim Earth)及未來實驗室(Future Lab)等。
(2)重複性的過程模擬(Iterative Simulation or Process Simulation)： 與自然現象模擬(Physical Simulation)類似，但提供使用者一再重複的功能， 並可在每次的模擬改變其參數設定，執行模擬後觀察其結果(成效)。如本研究的 施測平台－西點橋樑設計者(West Point Bridge Designer)。
(3)程序性模擬(Procedural Simulation)：
主要目的為教導為達成某目標的連續性動作。如模擬飛行、模擬青蛙解剖等。
(4)情境模擬(Situational Simulation)：
主要處理人類或組織在不同情境的行為及態度，更甚於技能上的表現。如資本企 業的經營模擬。
2.2 透過設計進行學習(Learning through Design)
建構(Constructionism)學者十分贊同以實作做為學習的途徑，例如運用可程 式的樂高積木設計具備某些功能的機械人(Resnick & Ocko,1988)，或者是以數 個月的時間設計電腦遊戲軟體(Kafai,1994)等。透過設計進行學習(Learning through Design)(Harel,1991) 或 經 由 製 作 的 過 程 進 行 學 習 (Papert & Harel,1991)，建構學者相信在製作成品的過程中，某些的特定事物正在被學習 著(Kafai,1994)。例如為了達成設計及完成產品，學生必須學習相關的技能或知
識，有時甚至是學習「設計本身」，如設計技巧、策略等。 設計的過程中，到底發生哪些效應讓「以設計者的心態學習」或「為了學習進 行設計」與其他的教育法有著相異性呢？學者 Harel(1991)提出以下五點： (1)設計能帶動學習動機。 (2)設計讓事物實現化。 (3)設計者將個人情意、認知相互結合；個人、感受、事物、情境被結合在一起。 (4)設計產品促使設計者對未來使用者做體貼的考量。 (5)設計活動是綜合性的、整體性的。 然而設計學習活動為達成其學習成效，與專業設計相比較仍有其分野。學者 Kafai(1994)指出，專業設計注重其產品成果，學習設計注重學習達成目標的過 程，且不一定會反映於最後的產品。在學習過程中，過程比產品更重要，這意味 著學生可能並未完成良好的最終產物，但學習仍然可以發生。
2.3 思考風格(Thinking Styles)
風格(Styles)相關的理論與研究在 1950 年代開始蓬勃發展，「為何能力相同的 人在相同的領域(工作或學業)的發展會大異其趣?」一般相信，不管是先天還是 後天造就，「能力」決定了一個人往後的成就，然而當相同能力的人有了不同的 成就，是否另有其因素影響了他們的發展?個人特質(Personality)、情緒商數(EQ) 等 ， 都 被 認 為 是 可 能 的 因 素 之 一 。 風 格 理 論 大 致 分 為 以 下 三 大 範 疇 (Sternberg,2001)：(1) 以「認知」為中心的風格理論，如認知風格、概念風格等。 (2) 以「個人特質」為中心的風格理論，如心理風格、心靈風格等。 (3) 以「行為」為中心的風格理論，如學習風格、教學風格等。
Sternberg 所提出的思考風格(Thinking Style)理論亦試圖以思考習性的觀點 解釋能力測驗所無法解釋的成就差距。該理論將人們的思考習性以「心智自我管 理(mental self-goverment)」稱之，並劃分為五種類別，十三種項目，各有其 特性。各種形態的思考風格細項及類別如表： 表 2-3-1 思考風格類別及細項表(Sternberg,1997) 思考風格類別 思考風格項目 風格說明 功能 立法型 喜歡自己設計行事方法，是否做某事，要怎 樣去做，都由自己決定。喜歡用自己制定的 規則，較願意處理非預先設定的問題。 行政型 喜歡守規距，願意處理預先設立的問題。喜 歡填入計有架構之內的空格，較不喜歡自行 擘劃架構。 司法型 喜歡評估規則與程序、較願意處理可供其分 析事體與觀念的問題。 形態 君主型 態度專心一意、迫切。做起事來不容他人或 任何事物構成妨礙，一旦決定要做，就會盡 力做到。 階級分明型 有層次分明的多重目標，處事時頗知輕重緩 急的分別。會從不同角度審事問題，訂出正
確的處理程序。 寡頭統治型 與階級分明型相似，想在做一件事的時間範 圍內做不只一件事，但對於多個目標卻看似 同等重要，難以分別其輕重。 無政府型 動機如同有眾多需求及目標的雜燴，自己理 不出頭緒，旁人也幫不上忙，對策往往是胡 亂抓取的。不太能接受制度。 層次 整體型 喜歡應對比較寬廣且抽象的題目，對於瑣碎 的處理顯得不屑或厭惡。屬於「見林不見樹」 的類型。 局部型 喜歡解決必須打理細節的具體問題，務實而 就事論事。屬於「見樹不見林」的類型。 範圍 內在型 個性內向，專注本分，比較超然離群，喜歡 獨自工作，在無他人介入的情況下運用智 能。 外界型 外向，性格爽朗、喜歡交際，在人際關係反 應靈敏，喜歡參加與人合作的工作。 傾向 自由型 喜歡超越計有的規則與步驟，擴大改變的幅 度、探索模稜兩可的局面。 保守型 喜歡遵守既定規則和步驟、儘量縮小改變幅 度，避免模稜兩可的情況，固守自己熟悉的 工作領域。
各種型態的思考風格並無好壞之分，僅有是否適合的差異(Sternberg, 1994)。 個人思考風格的特質在各領域所造成的差異性已有多位研究者進行相關研究。如 思考風格與教室目標結構的搭配可預測學生的學業成績(張淑玲，2005)；思考風 格對網路圖片蒐尋行為及策略會造成影響(賴廷圭，2007)；在創意設計中不同思 考 風 格 的 建 議 與 社 記 者 對 於 建 議 的 接 受 度 及 創 造 力 變 化 亦 有 影 響 ( 王 克 誠,2007)。思考風格與設計行為的關聯性，國內外亦有學者涉足相關研究。例如， 思考風格與設計行為如創意構思、同儕討論的在設計變更上的回饋似有其關連 性，但尚未有系統性的規畫整理(蔡錫錚、林秀芬、葉則亮，2006)；亦有學者指 出 思 考 風 格 對 設 計 科 班 之 學 生 完 成 設 計 成 品 之 動 機 性 質 有 所 關 連 (Hilton,2004)。本研究著眼於思考風格對於受測者在運模擬軟體設計桁架橋樑 的過程及策略的影響，故以「功能」及「幅度」兩種類型為主軸探討其關係。
2.4 由上而下(Top-Down)及由下而上(Bottom-Up)設計策略
由上而下(Top-Down)及由下而上(Bottom-Up)這兩種不同方向的行為策略於 1970 年代初期被明確的提出後，即廣泛運用於許多研究領域的策略闡釋上。如作 業 轉 換 的 認 知 控 制 (Schoelles & Gray,2003) 、 設 計 軟 體 的 程 序 (Jeffries,Turner,Polson & Atwood,1981)、視覺搜尋策略(Wolfe,Butcher,Lee and Hyle,2003) 以 及 網 頁 搜 尋 的 認 知 策 略 (Navarro-Prieto,Scaife & Rogers,1999)等。以軟體撰寫來說，早期學者相信在設計上 Top-Down 的設計策 略是有效的，因為設計中非常重要的要點是將問題分解為更容易處理的次一級單 元(Jeffries,Turner,Polson & Atwood,1981)。然而學者 Kafai(1994)指出，在 學生在設計遊戲軟體時解決問題的過程中，固然有的學生以計畫性的方式明確規 畫出要達成目標的各個子項目，即所謂的 Top-Down，但也有的學生可能採取另一種在完成的過程中浮現與情境對話的方式，逐個項目漸次完成，即所謂的 Bottom-Up。Kafai 在觀察的過程中發現，完全呈現 Top-Down 與 Bottom-Up 設計 策略的極端例子並不多，大部分的學生採取的是互有參雜的策略，且隨著設計活 動時間的增長，這樣的差異會漸漸顯得不明顯。Top-Down 及 Bottom-Up 的設計策 略示意圖如圖 2-4-1 所示：
Top-Down 的數學遊戲設計流程 Bottom-Up 的數學遊戲設計流程
圖 2-4-1 Top-Down 及 Bottom-Up 的設計策略示意圖(Kafai,1994)
歡迎詞與指引 遊戲名稱：在分數世界的 Jose 與魔術師的會面-第一個分數問題 城市與機場 熱氣球-第二個分數問題 把強盜踢到月球-第三個分數問題 散步在海灘，游泳時遇見鯊魚- 第四個分數問題 家裡的叢林與會說話的獅子- 第五個分數問題 網(遊戲背景) 遊戲名稱：蜘蛛網 視窗區塊 第四個分數問題(有色區塊) 視窗內含五個有色彩的區塊 第一個分數問題(有色區塊) 第二個分數問題(有色區塊) 第三個分數問題(有色區塊) 第五個分數問題(有色區塊)
三、研究方法與設計
3.1 研究架構
本研究旨在探討不同思考風格對於設計學習者使用模擬軟體進行橋樑設計 時，對設計策略及使用工具偏好及最後設計成效的影響。本研究共分兩階段，第 一階段先以思考風格量表測訂受測者的思考風格傾向，再以側錄軟體記錄受測者 的設計策略行為及工具使用偏好；其中受測者的思考風格為自變項，設計策略行 為及工具偏好為依變項。第二階段依據第一階段的結果，設計策略及工具偏好為 自變項，設計成效為依變項，探討設計策略與工具偏好與設計成效之關聯性。研 究過程中所使用之量表、實驗平台及側錄軟體將於研究工具中作詳細的說明。本 研究之研究架構如圖 3-1-1 所示： 圖 3-1-1 本研究之研究架構圖思考風格
Thinking Style
電腦模擬真實建築環境設計情境
Computer Simulation
設計流程、形態
Design
設計者兼學習者
Designer & Learner
設計成效(總花費)
Final Product
研究問題1 研究問題4 研究問題4工具偏好
Design Tool
研究問題2 研究 問題3思考風格
Thinking Style
電腦模擬真實建築環境設計情境
Computer Simulation
設計流程、形態
Design
設計者兼學習者
Designer & Learner
設計成效(總花費)
Final Product
研究問題1 研究問題4 研究問題4工具偏好
Design Tool
研究問題2 研究 問題33.2 研究對象
本研究採便利取樣，以新竹縣某高中一年級學生三個班共 121 位學生為研究對 象。高中一年級學生在國中時期的自然學科並未有力學相關的深入課程，高中一 年級修習之基礎物理亦僅限於一維之簡易力學探討，在橋樑結構設計上所需的背 景知識較為缺乏且程度整齊，僅能從使用模擬軟體設計的過程中取得設計橋樑所 需的相關資訊，較不受其自然學科學習成果的影響。3.3 研究工具
3.3.1 西點橋樑設計者 2007 介紹西點橋樑設計者(West Point Bridge Designer,WPBD)是由美國西點軍事學院 (The Uniited States Military Academy at West Point)土木及機械工程學系 的學者 Colonel 所開發的教育性質模擬軟體，並開放自由下載及免費使用。以此 軟體為平台，自 2002 年起每年均於美國辦理為期約數個月，以組隊、通信方式 辦理的全國性的中學生橋樑設計競賽(West Point Bridge Design Contest)。最 後挑選出全國的參賽者菁英齊聚一堂，進行最後決賽並給予優勝者豐厚的獎金。 近幾年雖已不再以獎金為號召，但美國各地仍不斷有參賽隊伍參與，主辦單位亦 將參賽資格推廣至海外，成為全球性的科學競賽。該設計軟體也不斷的進行版本 上的更新，本研究所使用的版本為 2007 年的版本。茲將西點橋樑設計者 2007 的 各項功能介面詳細介紹如下：
出被測橋樑的造型。介面外觀如圖 3-3-1： 圖 3-3-1 西點橋樑設計者 2007(WPBD2007)設計界面外觀 各工具功能解說如下： (1)設計工具： 圖 3-3-2 設計工具列 檔案處理 (8) 設計測試 (3) 設計紀錄 (4) 狀態(5) 組件屬性 工具(2) 顯示工具 (7) 設計工具 (1) 組件列表 (6) 簽名處 設計區
從左至右分別為建立接合點、建立組件、選取接合點或物件、刪除接合點或物 件等功能。 使用方式：利用建立接合點繪製桁架轉折、銜接的關節，再用建立組件在接合點 間利用按住滑鼠左鍵的方式繪製組件。已畫上的接合點，可以利用選取接合點或 組件的功能觀看組件的屬性規格(請參閱(2)組件屬性工具)或拖曳接合點產生新 的桁架形狀設計。對於想刪除的組件或接合點，可利用刪除接合點或組件的功 能。運用以上功能繪出待測橋樑的雛形如圖 3-3-3 所示： 圖 3-3-3 繪製待測之橋樑設計雛型
圖 3-3-4 組件屬性工具列 由左自右分別是材質下拉式選單、橫斷面形式下拉式選單、組件尺寸下拉式選 單、增加尺寸、減少尺寸、目前組件屬性報表。選取目前組件屬性報表，會出 現如圖 3-3-5 的視窗畫面。 圖 3-3-5 組件屬性報表 (4) 設計測試： 圖 3-3-6 模擬測試工具 從左到右分別是進入設計畫面、針對目前設計做負載測試、選取所有的組件、 組件屬性的敘述， 如材質、尺寸、橫 斷面形式等。 該規格組件承受力量極限 vs 長 度的關係圖。X 軸為長度，單位 公尺；Y 軸為承受力量極限，單 位為千牛頓。藍色線為張力曲 線，紅色線為壓力曲線。 該規格組件每公尺的花費。
刪除選取的組件、接合點、還原、重做。
圖 3-3-7 負載測試成功的畫面
模擬動畫中承受壓力的組件呈現紅色，承受張力的組件為藍色。顏色深淺代表 距離該組件受力極限的距離，顏色越深離極限越近。 若測試失敗，回到設計畫面時，受到壓力破壞的組件會變成紅色，受到張力破壞 的物件會變成藍色，以提醒使用者哪些組件需要加強。 圖 3-3-9 模擬結果提示畫面 (4)設計紀錄： 圖 3-3-10 設計紀錄工具列 從左到右分別是目前的設計紀錄顯示、往前一個設計紀錄、往後一個設計紀 若測試成功，此處會出現 若測試失敗，此處會出現 若尚未測試，此處會出現
錄、設計紀錄選單。設計紀錄選單選取後會出現如圖 3-3-11 視窗： 圖 3-3-11 設計紀錄視窗畫面 (5)狀態： 圖 3-3-12 狀態工具列 從左到右分別是目前的總花費、花費計算報表、模擬測試結果、負載測試報表。 選取花費計算報表後會出現如圖 3-3-13 的畫面： 之前曾經做過測試的所有設計歷程 以及花費。如果存檔再開啟，只會 剩下曾經測試過的設計次數，歷程 會消失！ 選取任一個曾經做過的設計紀錄，在這 就會顯示設計概圖。如果該設計的測試 結果是失敗的，不安全的組件同樣會以 顏色標示。
圖 3-3-13 花費計算報表 基本上，這四種類別的花費是相互牽制的。如果刻意減少一種，都有可能造成 其他花費的增加或整體表現不佳。所以，要如何取得一個均衡點，全看使用者如 何作出取捨。 在完成每一次的模擬測試後，選取負載測試報表後會出現如圖 3-3-14 的視窗： 圖 3-3-14 負載測試報表 材料花費。詳列 各種規格的材料 所花的費用。 連接花費。詳列 使用接合點所花 的費用。 產品花費。詳列各種規 格的組件所花的費用。 規格越繁複花費越多 場地花費。詳列 場地各參數設定 所花的費用。 總花費。所有花費的總和。
每一行代表一個組件的資料，由左而右依序顯示的欄位為組件尺寸、橫斷面形 式、材質、長度、承受壓力(千牛頓)、承受壓力極限(千牛頓)、壓力測試狀態(若 被破壞會出現紅色)、承受張力(千牛頓)、承受張力極限(千牛頓)、張力測試狀 態(若被破壞會出現藍色)。 (6)組件列表： 與「負載測試報表」格式類似，在完成模擬測試後可顯示組件的屬性規格以及承 受壓力/承受壓力極限、承受張力/承受張力極限的數據。小於 1 代表可以安全負 荷載重測試，大於 1 則代表無法負荷(不安全、被破壞)，越接近 1 則代表這個組 件在負荷上越「物盡其用、大小適中」。 承受壓力/承受壓力極 限欄位 承受張力/承受張力極 限欄位
(7)顯示工具： 圖 3-3-16 顯示工具列 從左到右分別為顯示/隱藏組件列表、顯示/隱藏組件號碼、顯示隱藏設計輔助 線(協助上下或左右對齊組件)、低解析度格點、中解析度格點、高解析度格點(以 上三項影響設計游標移動的精細度)。 (8)檔案處理： 圖 3-3-17 檔案處理工具列 從左至右分別為建立一個新的橋樑設計、開啟一個存在的橋樑設計檔案、儲存 你目前的設計、列印設計。 西點橋樑設計者 2007 提供的回饋資訊及圖表十分多元，但實驗過程中受測者 受限於時間限制及與語言隔閡，最常使用的回饋資訊為模擬畫面(圖 3-3-7 及圖 3-3-8)及組件列表(圖 3-3-15)，其他的回饋資訊的運用則極少或完全沒有。受測 者運用軟體的設計行為實際流程將於 3.3.2 節中介紹。 3.3.2 受測者的設計流程、設計行為及觀察標準
本研究中，受測者將運用西點橋樑設計者 2007 的各項功能進行橋樑設計。受 測者進入軟體界面後，必須先設置好一個建造橋樑的環境設定以進入設計畫面 (為避免難易度的不同造成成果上的差異，本研究在實驗時採統一環境設定的方 式進行)。在設計畫面中，受測者必須以軟體提供的手繪工具完成一個初步的橋 樑設計結構(這個結構必須符合桁架結構的定義)，進行第一次的模擬測試。此時 軟體會回饋以下資訊，如圖 3-3-18 所示： (1)橋樑目前的花費。 (2)橋樑中各組件的受力情形在模擬動畫中會以顏色的類別和深淺顯示，若有不 安全的組件則會發生斷裂的動畫演示。 橋樑花費顯示，學生的設 計目標為儘量將其減少。 1.進行設計前的原始畫面。 2.進行設計前的原始畫面。 模擬過程以動畫顯示，各 組件的受力形態、大小以 顏色「類別」及「深淺」 區分。 3.進行第一次的模擬測試。 步驟計數起顯示目前為設 計的第 1 步。
結束模擬回到設計畫面，軟體會回饋以下資訊，如圖 3-3-19 所示： (1)以滑鼠點選某個組件，會在組件列表中(如果有開啟的話)標示該組件的資 訊，包括組件規格及受力狀況。 (2)若有不安全的組件，會以明顯顏色標示在設計區及組件列表上。 圖 3-3-19 結束模擬回到設計畫面後的回饋資訊 設計者可根據模擬時所觀察到的現象或組件列表中的數據進行橋樑組件的調 整，調整的過程中所運用的設計策略即設計工具偏好即為研究者的觀察重點。將 過度粗壯的組件作適度的縮減，同時軟體會因應組件的縮減(成本降低)，將即時 反應橋樑花費成本數據的減少情形。然而該數據是否「算數」，仍必須經由再一 被選取的組件會 以淺藍色標明。 可使用此處(組件屬性工具)調 整被選取的組件。 材質 形狀 尺寸 長度 壓力值 張力值 ▲組件列表(位於畫面右方，可由使用 者決定開啟或關閉)，被選取的組件會 以淺藍色背景標示，並於右方顯示其受 力情形，作為使用者調整依據。選取組 件的動作亦可於本工具中執行。 4.2 若模擬結果顯示某些組件不安全，會以紅 色或藍色標示，組件列表亦以同樣的背景 色標示。 4.3 右方組件列表關閉時的情形。 4.1 結束模擬測試後設計者可回到設計畫面作進行調整。
次的模擬來驗證橋樑是否安全。當橋樑確實由設計者做過調整時，每進行一次模 擬的動作，步驟計數器便會自動加 1，藉此功能便可清楚觀察目前設計者的設計 步驟數。設計者藉由調整-模擬測試-調整的過程，逐步的將設計改進，直到設計 者滿意(覺得橋樑花費的成本已經降到夠低了)為止。研究者將設計者的運用西點 橋樑設計者 2007 進行橋樑設計的流程圖整理如圖 3-3-20 所示： 安全 開始設計活動 使用中央圖形介面 完成初步橋樑結構 第一次模擬測試 回到設計畫面 讀取回饋資訊 準備進行調整 選擇要使用的 設計工具 (研究者觀察其設計工 具的使用行為) 針對組件進行調整 (研究者觀察設計者之 設計策略行為) 調整完畢 進行模擬測試 檢查模擬結果 檢查橋樑花費 不安全 滿意 不滿意 結束設計並存檔 設計步驟 計數加 1
研究者根據學者 Kafai 所提出的 Top-Down 與 Bottom-Up 兩設計策略之流程示 意圖，以平日教學現場之觀察經驗，提出受測者在「西點橋樑設計者 2007」軟體 中進行橋樑設計時，Top-Down 與 Bottom-Up 兩種設計策略的流程假設如圖 3-3-19 所示： 圖 3-3-21 橋樑設計活動中 Top-Down 與 Bottom-Up 設計策略行為預想架構圖 其中，Top-Down 設計策略需要針對問題或目標進行解析，類似功能型態思考風 格中司法型思考風格及層次型態思考風格中整體思考風格的觀點；Bottom-Up 以 對話方式逐漸累積各項細部元素以達成設計目標，則類似層次型態思考風格中局 部思考風格的觀點，然而前述假設是否成立，仍待後續的觀察及數據分析。為驗 證圖 3-3-19 之預想是否成立，研究者於 97 年 12 月間於新竹縣某高中一年級某 班級為施測對象，進行實驗環境的預演及設計行為的側錄。側錄檔回收後並經過 研究者觀察後，發現受測者之行為確有研究者所定義之情形，並整理出數種設計 行為種類，依據 Top-Down 及 Bottom-up 之精神與定義，製作設計行為分類及代 號表，以協助觀察者儘速瞭解受測者可能發生的行為，並儘快進入狀況。其中大 達成一座成本最低的橋 受到壓力 的組件 同時 受到張力 與壓力 的組件 受到張力 的組件 子 問 題 子 問 題 子 問 題 子 問 題 子 問 題 子 問 題 子 問 題 Top-Down or Bottom-Up 達成一座成本最低的橋 組件1調整 橋樑造型微調 組件5調整 不安全的組件調整 測試組件17的極限 達成一座成本最低的橋 受到壓力 的組件 同時 受到張力 與壓力 的組件 受到張力 的組件 子 問 題 子 問 題 子 問 題 子 問 題 子 問 題 子 問 題 子 問 題 Top-Down or Bottom-Up 達成一座成本最低的橋 組件1調整 橋樑造型微調 組件5調整 不安全的組件調整 測試組件17的極限
幅改變橋樑整體形態一項，因其涉及範圍已非原先設計目標內的設計活動，而是 以跳脫原來的主題，進入全新的設計任務，故特別歸類於 Top-Down 與 Bottom-Up 之外的類別，自成一類。茲將設計策略行為之分類表及受測者實際操作之畫面整 理如表： 表 3-3-1 設計策略行為畫記代號表 代號 行為敘述(每次進行模擬測試前的調整動作) 設計行為分類 1 選擇 2 個以下的組件改變其屬性 Bottom-Up 2 選擇 3 個以上的組件且無結構關連性或同質性的 組件改變其屬性且未重複其動作 Bottom-Up 3 選擇 3 個以上的組件且無結構關連性或同質性的 組件改變其屬性且重複其動作 Top-Down 4 選擇 3 個以上具結構關連性或同質性的組件改變 其屬性 Top-Down 5 同時選取整座橋的組件改變屬性 Top-Down 6 針對不安全且同代號 1 或 2 條件之組件改變其設 定 Bottom-Up 7 小幅度改變橋樑部分型態(移動 2 個以下接合點) Bottom-Up 8 大幅度改變橋樑整體型態(移動 3 個以上接合點 或重新設計一個造型) 大幅改變結構及 設計目標 由於每位受測者進行設計及調整的節奏與速度並不相同，雖然實驗的時間長度 一致，但每位受測者完成的總設計步數(步驟計數器所紀錄之數值)卻不相同。由
於受測者的設計策略行為偏好必須出現次數比較之，故必須設定一個適當的觀察 次數。Kafai 在觀察 Top-Down 與 Bottom-Up 的設計行為後指出，在長時間建構複 雜的成品後，Top-Down 與 Bottom-Up 之間的界線會逐漸的模糊、破碎
(Kafai,1994)。因此，本研究將 Top-Down 與 Bottom-Up 的觀察期定於受測者設 計前期階段。一般而言，設計者在 50 分鐘內能完成的設計步數約 50 至 80 次不 等，節奏較慢的約 40 餘次，偶有節奏很快的高達 150 次，但十分稀少。而橋樑 設計活動的特性亦如 Kafai 所觀察的，越到後期越需要處理細節微調的部份，亦 即 Top-Down 與 Bottom-Up 的次數(比例)差距將逐漸減少。故研究者將觀察步數 定為受測者第 2 步至第 31 步，共計 30 步的設計行為及設計工具使用的情形(第 1 步為建立橋樑結構，無 Top-Down 與 Bottom-Up 等調整行為)。然而受測者偶而會 出現設計失誤的情形，導致無法進行模擬測試(軟體限制必須符合真實世界的設 計理論方能測試)，但計數器仍有計數的動作，則必須忽略此本次計數，並於往 後的觀察數補足共 30 次的觀察次數，以利數據的比較與分析。 使用設計工具偏好部分，研究者於前導研究的側錄觀察中發現受測者使用模式 可分為「僅使用圖形介面」、「僅使用組件列表」以及「使用圖形介面但又同時觀 看組件列表」。研究者將操作畫面、受測者讀取資訊的可能情形整理如表。 表 3-3-2 設計工具運用偏好 設計工具使用情形 受測者的操作畫面 受測者讀取的資訊 A 於中央繪圖設計區執 行設計動作 (右方組件列表區為關 閉狀態) 受測者可輕易讀取整 體的橋樑結構及被顏 色標示的組件。 但缺乏各組件的細部 資訊及數據。
B 開啟右方組件列表區， 並於列表區執行設計 動作 受測者可讀取橋樑各 組件的細部資訊及數 據，但橋樑的結構會 遭到視窗阻擋。 C 開啟並參考右方組件 列表區之資訊， 但仍於中央繪圖區執 行設計動作。 受測者試圖同時讀取 所有的資訊，在中央 選取組件的同時，於 組件列表讀取其細部 資訊及數據。有時必 須不斷的開啟與關閉 組件列表。 以上三種表列之設計工具使用行為，慣用中央圖形介面之受測者，其接受的資 訊的觀點較偏向具體觀之，類似層次形態思考風格的整體型思考風格，慣用右方 組件列表者，其接受資訊的觀點偏向細微觀之，類似層次形態思考風格的局部型 思考風格。同時讀取中央圖形界面及右方組件列表者，可能企圖同時分析所有資 訊，類似功能型態思考風格中司法型思考風格的觀點。然而前述假設是否成立， 仍待後續的觀察及數據分析。 最後，茲以受測者的操作畫面對應設計策略行為搭配使用設計工具舉例如下： 圖 3-3-22 在中央圖形設計界面中，Top-Down 與 Bottom-Up 的範例 Top-Down Bottom-Up
圖 3-3-23 在右方組件列表中，Top-Down 與 Bottom-Up 的範例 3.3.3 螢幕錄影專家軟體 為了詳實記錄受測者在施測的進行中操作西點橋樑設計者軟體的過程與細 節，必須側錄電腦螢幕的顯示畫面方能達成，測錄記錄又可提供不斷重複播放、 快慢調整的功能，方便後續的觀察、記錄。本次施測採用「螢幕錄影專家」軟體 進行測錄，該軟體提供免費使用版本，並可隱藏至背景中運作，讓受測者未感到 觀察壓力的情況下操作軟體進行設計活動，另外對於滑鼠的點擊動作，螢幕錄影 專家軟體也會以紅色圓圈的方式顯示點擊的時機及位置，方便觀察者更深入觀察 施測者的操作行為。 圖 圖 3-3-24 「螢幕錄影專家」 錄製之錄影檔播放情形 Top-Down Bottom-Up
3.3.4 高中生思考風格問卷
本研究為了對受測者的思考風格特質進行分析，採用張淑玲所編製的「思考風 格量表」進行施測。該思考風格量表在設計時以 Sternberg-Wagner 在美國發展
的「思考風格量表（Thinking Style Inventory）」（Sternberg, 1997a）為藍本，
並參考國內其他編製思考風格量表的相關研究修定而成。張淑玲編製該量表時， 先以預試量表進行施測後，以項目分析及因素分析排除不完善之部分命題後，完 成正式施測用的量表。在本研究中所引用之功能(行政、立法、司法)及層次(整 體、局部)兩個向度中，功能向度中各個題目的因素負荷量皆在 .40 以上，且累 積解釋總變異量達 46.211%，內部一致性上，「立法」、「行政」與「司法」三個分 量表之 Cronbachα係數分別為 0 .7102、0.6095 與 0.6388；層次向度中各題目 之因素負荷量皆在 0.40 以上，且累積解釋總變異量達 51.302%，內部一致性上， 「整體」與「局部」二個分量表之 Cronbachα係數分別為 0.6446 與 0.4453，故 本研究採用此量表作為研究工具。
3.4 研究設計
3.4.1 實驗流程 本實驗流程為期兩週，第一週先以思考風格問卷施測，了解受測者思考風格。 第二週安排電腦教室以便受測者進行橋樑設計活動，並以側錄軟體測錄其設計過 程，以便詳實記錄其行為表現。由於本研究需對於受測者的行為表現，需以觀察 的方式判斷記錄之，必須在特別設計的情境，深入而徹底的研究其間發生的行法(王文科、王智弘，2007)。實驗流程如圖 3-4-1 所示： 圖 3-4-1 本研究實驗流程圖 3.4.2 實驗情境設計 1.本次設計或動所需的相關知識與操作以及重要觀念，以軟體 Help 檔的說明為 藍本撰寫講義，並儘量簡化其內容，放置於每位受測者的桌面，方便其翻閱查 詢，避免先備知識程度相左影響施測結果。實驗開始前先進行約 15 分鐘的教 學活動，講授桁架橋樑的相關基本概念，以及橋樑設計軟體各功能的使用及報 表、回饋資料的判讀方式，以期將受測者的背景知識及技能之差距降至最低。 教學結束後給予 20 分鐘的練習時間，並鼓勵受測者若有任何不了解之處，儘 量發問並給於相同程度的解答。 問卷施測 軟體及觀念說明 受測者進行設計活動 數據分析 思考風格問卷施測，確認受測樣本思考風格 傾向。 向受測者講解模擬軟體的功能介面，以及關 於桁架橋樑、鋼骨材料特性等相關基本知 識，並於講義形式備忘。 側錄學生的設計過程，以便測後反覆觀察級 紀錄相關數據。 藉由側錄影片統計受測者在設計過程中，各 種被定義之現象出現之次數及順序，以及完 成的試作品數量、最佳作品之效能等資料分 析受測者展現出的各種特徵與思考風格之關 聯性。 第一週 第二 週 問卷施測 軟體及觀念說明 受測者進行設計活動 數據分析 思考風格問卷施測，確認受測樣本思考風格 傾向。 向受測者講解模擬軟體的功能介面，以及關 於桁架橋樑、鋼骨材料特性等相關基本知 識，並於講義形式備忘。 側錄學生的設計過程，以便測後反覆觀察級 紀錄相關數據。 藉由側錄影片統計受測者在設計過程中，各 種被定義之現象出現之次數及順序，以及完 成的試作品數量、最佳作品之效能等資料分 析受測者展現出的各種特徵與思考風格之關 聯性。 第一週 第二 週
圖 3-4-2 施測使用之電腦教室布置實景
2.施測開始，每位施測者建構桁架橋樑所使用的環境設定皆相同，以期實驗結果 可以互相比較。施測過程為 50 分鐘。在電腦教室中受測者間使用隔板加以隔離， 禁止其窺視他人之電腦螢幕或交談以免互相影響導致分心。如圖 3-4-3 及圖 3-3-4 顯示之情形：
圖 3-4-4 實際施測之情形 3.考慮電腦教室之容量，每次施測約 40 名受測者，需分三批完成施測，並為了 避免施測內容在學生中流傳導致實驗結果產生不穩定因子，三批受測者於一天半 全部施測完畢。施測過成營造競賽的感覺，並頒發獎品，期以略施小惠的方式激 勵受測者專心致力於完成總花費最低的桁架橋樑，使實驗記錄得以互相比較。
3.5 資料處理與分析
3.5.1 觀察值的一致性 施測完成後，將受測者的思考風格量表編碼輸入為數據分析資料檔。考量到設 計策略行為記錄的部分，因不同行為的界線可能較為模糊，判讀上亦可能參雜並觀察者個人主觀意識，故設計行為記錄部分交予三位專家同時進行受測者實驗歷 程的觀察與記錄。三位觀察受測者設計行為的專家資料如下表所示。 專家甲 專家乙 專家丙 年齡 32 歲 27 歲 23 歲 從事工作 高中教師 國小教師 高中教師 最高學歷 國立高雄師範大學 工業科技教育學士 國立中山大學 教育研究所碩士 國立高雄師範大學 工業科技教育學士 表 3-5-1 三位專家的基本資料表 使用設計工具偏好部份的量化記錄工作，因具由明確的使用動作作為記錄依 據，故由研究者自行完成受測者設計歷程中工具偏好的量化記錄。 三位專家的設計行為量化記錄完成後，扣除思考風格量表漏答、設計歷程不符 合實驗設計要求者，共有 101 個施測樣本可供研究分析。為求三位專家的評分一 致性，將 101 個樣本所有的行為記錄，施以肯德爾和諧係數分析。分析結果如下 表所示： 表 3-5-2 三位專家 Top-Down 量化數據肯德爾和諧係數分析 個數 3 Kendall's W 檢定(a) .945 卡方 283.604 自由度 100 漸近顯著性 .000 a Kendall 和諧係數
表 3-5-3 三位專家 Bottom-Up 量化數據肯德爾和諧係數分析 個數 3 Kendall's W 檢定(a) .933 卡方 279.988 自由度 100 漸近顯著性 .000 a Kendall 和諧係數 表 3-5-4 三位專家「大幅改變結構及設計目標」量化數據肯德爾和諧係數分析 個數 3 Kendall's W 檢定(a) .886 卡方 265.689 自由度 100 漸近顯著性 .000 a Kendall 和諧係數 由於三種量化數據之顯著性皆為.000<.01，故三位評分者三種設計行為之量化數 據皆達顯著相關，達成專家評分一致性，故將三位專家之量化結果平均後作為數 據分析之使用數值。 3.5.2 數據分析方式 本研究以 SPSS 軟體(Windows 版)作為研究中各項數據的分平台。針對本研究的 四項研究命題，分別以下列統計方式進行分析：
1.首先針對受測樣本思考風格得分、設計策略行為、設計工具偏好及設計橋樑總 花費之平均得分進行描述性統計，以了解其分布情形。 2.分析命題：在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者的思 考風格與其設計行為偏好是否具相關性？ 採用統計方法：由於自變數與依變數均為連續變項，故採皮爾森相關係數分析。 3.分析命題：在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者的思 考風格與其設計過程中工具運用的偏好是相關性為何？ 採用統計方法：由於自變數與依變數均為連續變項，故採皮爾森相關係數分析。 4.分析命題：在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計行為偏好與 工具運偏好相關性為何? 採用統計方法：由於自變數與依變數均為連續變項，故採皮爾森相關係數分析。 5.分析命題：在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者的設 計行為偏好與工具運用偏好與設計成效是相關性為何? 採用統計方法：由於自變數與依變數均為連續變項，故採皮爾森相關係數分析。
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 整體 0 5 10 15 20 次 數 Mean = 3.1609 Std. Dev. = 0.80046 N = 101
四、資料分析
4.1 受試者思考風格量表得分、設計策略行為及使用設計工具之描述性統計 分析 本研究以張淑玲(2004)編撰之思考風格量表對受試者進行施測，測驗範圍包含 層次(整體、局面)及功能(立法、行政、司法)。問卷經回收統計後，受測者各種 思考風格平均得分先進行描述性統計。其中層次(整體、局面) 思考風格得分之 描述性統計及次數分配圖如下： 層次型態 思考風格 個數 最小值 最大值 平均數 標準數 標準差 整體 101 1.00 5.00 3.1609 .07965 .80046 局部 101 1.00 4.33 3.0297 .06312 .63438 表 4-1-1 層次(整體、局面) 思考風格得分之描述性統計 圖 4-1-1 整體思考風格傾向得分之次數分配圖1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 局部 0 5 10 15 20 25 次 數 Mean = 3.0297 Std. Dev. = 0.63438 N = 101 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 立法 0 5 10 15 20 25 30 次 數 Mean = 3.6766 Std. Dev. = 0.5962 N = 101 圖 4-1-2 局部思考風格傾向得分之次數分配圖 功能(立法、行政、司法)思考風格得分之描述性統計如表 4-1-2： 功能型態 思考風格 個數 最小值 最大值 平均數 標準誤 標準差 立法 101 2.00 5.00 3.6766 0.05932 0.59620 行政 101 1.00 4.67 3.3399 0.07563 0.76009 司法 101 2.60 4.80 3.8059 0.04975 0.49996 表 4-1-2 功能(立法、行政、司法)思考風格得分之描述性統計 圖 4-1-3 立法思考風格傾向得分之次數分配圖
1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 行政 0 5 10 15 20 25 次 數 Mean = 3.3399 Std. Dev. = 0.76009 N = 101 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 司法 0 5 10 15 20 次 數 Mean = 3.8059 Std. Dev. = 0.49996 N = 101 圖 4-1-4 行政思考風格傾向得分之次數分配圖 圖 4-1-5 司法思考風格傾向得分之次數分配圖 進一步觀察樣本分布時發現，可能受到高中學生經過篩選入學的影響，受測樣 本的功能型態思考風格得分常有呈現多高的傾向，導致抽取單高思考風格獨立樣 本的困難，無法達到統計原理中單組需最少 15 人的限制，不易執行「獨立樣本 單因子變異數分析」及「獨立樣本 T 檢定」等數據分析法，故本研究各命題的數 據分析方式皆以「Pearson 相關係數」為主。
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 Top-Down 0 2 4 6 8 10 12 14 次 數 Mean = 12.3696 Std. Dev. = 5.87762 N = 101 研究者於實驗後紀錄受測者在實驗中各種設計策略行為、使用設計工具出現的 次數，並將多位專家觀察之數據平均後作為分析之數據。各種設計策略行為、使 用設計工具次數及設計者所設計之橋樑的總花費的描述性統計及次數分配圖如 下： 受測者的 設計策略行為 個數 最小值 最大值 平均數 標準誤 標準差 Top-Down 設計行為 101 0.00 26.67 12.3696 0.58485 5.87762 Bottom-Up 設計行為 101 2.33 30.00 16.3828 0.58099 5.83883 大幅改變橋樑結 構及設計目標 101 0 10 1.21 0.199 1.998 表 4-1-3 設計策略行為出現次數之描述性統計 圖 4-1-6 Top-Down 設計行為出現次數之次數分配圖
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 Bottom-Up 0 5 10 15 20 25 次 數 Mean = 16.3828 Std. Dev. = 5.83883 N = 101 0 2 4 6 8 10 大幅改變結構及設計目標 0 10 20 30 40 50 60 次 數 Mean = 1.21 Std. Dev. = 1.998 N = 101 圖 4-1-7 Bottom-Up 設計行為出現次數之次數分配圖 圖 4-1-8 「大幅改變結構及設計目標」設計行為出現次數之次數分配圖 使用設計工具 個數 最小值 最大值 平均數 標準誤 標準差 使用中央圖形介面 101 0 30 17.30 1.193 11.992 使用右方組件列表 101 0 28 4.44 0.740 7.437 使用中央圖形介面 搭配右方組件列表 101 0 30 8.28 0.885 8.892 表 4-1-4 使用設計工具次數之描述性統計
0 5 10 15 20 25 30 使用中央圖形介面 0 10 20 30 40 次 數 Mean = 17.3 Std. Dev. = 11.992 N = 101 0 5 10 15 20 25 30 使用右側組件列表 0 10 20 30 40 50 60 70 次 數 Mean = 4.44 Std. Dev. = 7.437 N = 101 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 次 數 Mean = 8.28 Std. Dev. = 8.892 N = 101 圖 4-1-9 「中央圖形介面」設計工具使用次數之次數分配圖 圖 4-1-10 「右方組件列表」設計工具使用次數之次數分配圖
140000.00 160000.00 180000.00 200000.00 220000.00 240000.00 260000.00 橋樑設計總花費 0 10 20 30 40 次 數 Mean = 166144.2114 Std. Dev. = 13214.65208 N = 101 個數 最小值 最大值 平均數 標準誤 標準差 橋樑設計 總花費 101 144,923.78 241,705.72 166,144.21 1,314.90 13,214.65 表 4-1-5 橋樑設計總花費之描述性統計 圖 4-1-12 橋樑設計總花費之次數分配圖 由以上描述性統計數據及次數分配圖可知，設計策略行為部分，受測樣本的 「Top-Down」及「Bottom-Up」兩種行為出現次數較接近常態分配，「大幅改變結 構及設計目標」設計行為有不少受測者完全未出現。使用設計工具部分，使用中 央圖形介面有「完全不用」或「幾乎全部設計步驟都用」兩種極端，「使用右方 組件列表」及「使用中央圖形介面搭配右側組件列表」的部分則各有不少受測者 「完全不使用」的現象。橋樑總花費的部分受測者的表現則接近常態分配。 綜合以上描述性統計及次數分配表的分析，受測樣本可能受到升學篩選機制的 影響，在立法及司法呈現雙高的趨勢，以功能型態的思考風格來說，較難抽出單
高傾向較明顯的受測樣本，而在層次型態思考風格上，則呈現較常態的分布。在 設計策略行為上，Top-Down 與 Bottom-Up 兩種行為分布較為常態，而「大幅改變 結構及設計目標」的設計行為則有不少受測樣本完全不使用。設計工具運用上， 受測樣本有明顯的好惡傾向，各有所好。橋樑設計花費則接近常態分配，與一般 常態編班之學生的測驗成績的分布類似。 4.2 在運用電腦模擬設計軟體進行產品設計的過程中，設計學習者的思考風 格與其設計策略行為偏好的相關性為何？ 本項分析以「Pearson 相關係數」分析層次型態思考風格及功能型態思考風格 與 Top-Down、Bottom-Up 及大幅改變結構與設計目標等三種設計策略行為出現次 數的相關性，自變項與依變項皆為連續變項。分析結果如表 4-2-1： 表 4-2-1 功能型態思考風格與設計行為偏好之 Pearson 相關係數分析表 立法 行政 司法 Top-Down 設計行為 Pearson 相關 -0.036 0.016 -0.167 顯著性 (雙尾) 0.722 0.871 0.096 個數 101 101 101 Bottom-Up 設計行為 Pearson 相關 -0.016 -0.006 0.085 顯著性 (雙尾) 0.872 0.950 0.396 個數 101 101 101 大幅改變結構 與設計目標 Pearson 相關 0.116 0.014 0.214* 顯著性 (雙尾) 0.249 0.886 0.031 個數 101 101 101 **. 在顯著水準為 0.01 時 (雙尾)，相關顯著。 *. 在顯著水準為 0.05 時 (雙尾)，相關顯著。 由上表之相關係數分析數據可得知，功能型態思考風格與 Top-Down 設計行為及 Bottom-Up 設計行為之出現次數無顯著相關，但功能型態中的司法型
